知乎日报:如果将钻石切割成像筷子一样的小条 用手可以掰断吗?


 

  你们觉得你们在知乎上都能想到这个问题,科学家们会没有想到过?当然了,科学家们不会对这种看似好笑的问题嗤之以鼻。他们会问自己,我们真的知道答案吗?如果不知道,那我们是不是该做个实验呢?所以呢,科学家们早就做过掰钻石的实验了。

  (图片来源:Davies, A. R., Field, J. E., & Pickles, C. S. J. (2003). Strength of free-standing chemically vapour-deposited diamond measured by a range of techniques.Philosophical Magazine, 83(36), 4059-4070.)(作者是剑桥大学卡文迪许实验室的)

  注意,是真的「掰」,而不是「砸」或者「摔」。用科学的语言说,那就是「掰」钻石是静力或者拟静力弯曲加载,应变的变化率(strain rate)很低;「砸」或者「摔」钻石则是动力冲击试验,应变的变化率非常非常高。这两者完全不能混为一谈。

  从试验结果就能很明确的看到这一点,从开始加载到最终被掰断,整个过程持续了大约 700 秒,也就是 11 分钟,这是真正的慢慢慢慢的「掰」断。拿锤子砸或者往地上摔,整个过程的时间要以毫秒来度量,不能叫做「掰」。实际上,这个试验的加载速率是每分钟 0.02 毫米,这样的加载速度,肉眼已经几乎看不出试验机在动了。

  当然,在科学家的掰钻石的实验里,钻石的尺寸并没有筷子那么大。我刚量了我家的筷子,长度大概 20 厘米,截面尺寸大概是 0.5 厘米见方,这样的一根筷子如果是钻石的,按 3.52 的相对密度,换算下来差不多要足足 100 克拉。如果您土豪到可以拿 100 克拉的钻石做实验,那悉听尊便。

  在上面这个实验里,钻石试件的尺寸是 18x1.96x0.36 毫米,三点弯曲试验,两边简支,支座间距为 10 毫米,中间加载集中力,最终破坏时的力大约为 7 牛顿。换算成应力,对于 60 多个不同的钻石样品,钻石的强度为 450 兆帕到 1000 兆帕之间。

  450 兆帕是什么概念呢?你家房子用的混凝土抗压强度大概在 30 兆帕左右,你家房子里的钢筋的强度是 300 兆帕到 400 兆帕左右,很多汽车上用的高强度钢材的强度大概在 500 兆帕左右,大家津津乐道的超级材料钛合金的强度不过也就 1000 兆帕左右。

  这位看官说了,什么?你的意思是钻石比钢材都结实?甚至已经赶上钛合金了?我并没有这么说,科学家们也没有这么说。科学家们说的是:截面尺寸 1.96x0.36 毫米的钻石静力加载条件下受弯,强度是 450 兆帕。至于跟筷子一样粗的钻石、乃至跟钢筋一样粗的钻石的强度是多少,不知道,因为没有人做过实验,甚至可能都没有人做过那么大的钻石。

  这位看官又说了,不对吧?细的钻石和粗的钻石,强度难道不一样?没错,真的不一样。虽然没有人测试过足够大的钻石,但是我们知道有很多材料的性质很接近钻石,比如玻璃,类似的非金属晶体,硬度同样很高,断裂韧性同样很差。玻璃不像钻石那么贵,所以我们可以从玻璃这里得到很多实验结果。

  对于一大块普通的玻璃,实际测得的强度大概是 70 兆帕到 100 兆帕左右。事实上,普通玻璃之所以在 70 兆帕左右的时候会破坏,主要的原因是玻璃生产加工中产生的各种微小的瑕疵。如果采用更先进的工艺,把瑕疵控制的尽可能的低,玻璃的强度可以达到 500 兆帕。把这种高强度的玻璃制成纤维,也就是我们常说的玻璃纤维,而玻璃纤维制成的 GFRP 也就是我们俗称的「玻璃钢」,比如有些撑杆跳运动员的杆子、很多桥梁的加固构件就都是玻璃纤维制成的。单根玻璃纤维的实测强度甚至可以达到 4000 兆帕。如果你排除一切外部干扰,用最好的玻璃纤维,把它放在液氮里,然后再加载测试,得到的强度将会达到 17000 兆帕,几乎等于根据原子理论计算出来的强度极限值。

  所以说,虽然都是同一种材料,同样的玻璃,同样的钻石,但是实际样品的大小不同,它们的强度也会不同。对于钻石来说,科学家们已经知道对于截面 1.96x0.36 毫米的钻石的强度。至于像筷子一样粗的钻石究竟如何,那可能还得做更多的实验。

  不管怎么说,这是个很有意思的问题,我们现在已经有了碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维,说不定将来科学家们还可以造出钻石纤维呢。

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